圖像：一部人類信息史（簡體書）

引言

世界上唯一的新鮮事就是不為人知的歷史。

——哈裡·杜魯門（Hany Truman），大衛·麥卡洛克引用

我們生活在為數據“海洋”（有人稱之為“大數據”）所包圍的島嶼上。這些“海洋”中有著各類“物種”，是我們可以觀察到的現象。想法、假設、解釋和圖形也在數據的“海洋”中漫遊，它們可以澄清“水域”，也可以讓不受支持的“物種”消亡。這些“生物”靠直觀的解釋和科學的證明才能茁壯成長。時代不斷發展，新的圖形物種也隨之出現，而這是由數據“海洋”中“漁民”的新問題和內在洞察力所引發。

無論我們是否意識到這一點，數據幾乎都是我們生活中每個領域的一部分。作為個人，健身追蹤器和血糖儀可以讓我們監測自己的健康狀況。我們可以用網上銀行儀表板查看我們的支出模式並跟蹤財務目標。作為社會的一員，我們讀到了美國加州爆發野火或極端天氣事件的報道，並想知道這些僅僅是異常現象，還是氣候變化的確鑿證據。2018 年的一項研究稱，即使每天喝一杯酒也會增加健康風險。關於綠茶降低膽固醇、維生素 C 緩解普通感冒、大麻緩解慢性疼痛，以及（可悲的是）兒童疫苗接種的健康益處或風險的問題，均存在相當大的爭議。但所有這些例子意味著什麼呢？正如一件流行 T 恤的宣言：“我們被數據淹沒，卻渴望知識。”

這些插圖實際上反映的是理解一些系統性的東西或一項主張的證據強度。如果我不參加晨跑或吃卡卡圈坊 A 的甜甜圈，我的血糖會升高多少？近年來，是加州確實發生了更多的野火，還是世界範圍內發生了更多的極端天氣事件？與完全戒酒相比，像其他人一直所建議的那樣，每天喝一兩杯葡萄酒，到底會增加多少健康風險？

對這類問題，證據可以用文字、數字或圖片來呈現，而且我們可以嘗試使用這些來評估主張或論點的力度。科學研究的目的是收集有關某個主題的信息，將其轉化為我們可以視為證據的某種標準形式，並推理得出結論或解釋。圖形通常是實現這一目標的最有力手段，這是因為它為所呈現的事實提供了可視化框架。它可以回答“與什麼相比”這一重要（盡管往往含蓄）的問題。它可以傳達一種對主張有效性證據的不確定感。然而，它也使觀眾能夠更深入地思考所提出的問題，並對結論提出質疑。圖表可以為問題提供直觀的答案，而圖形顯示可以溝通和說服。

正如我們在本書中所闡述的，圖形和圖表在理解複雜現象、發現規律和解釋方面往往發揮了重要作用。要真正了解可視化框架的影響，我們不僅要看當代的例子，還必須了解它是如何改變科學和社會的。我們必須要追根溯源。

悠久的歷史

本書講述了一段悠久的歷史，廣泛概述了今天如此普遍的數據可視化方法，是如何、在何處以及為什麼被構思和發展的。你可以將其視為對這段歷史的一次導覽，專注於社會和科學問題，以及一種不斷發展的圖形語言，它為發現和交流提供了洞見。

本書的寫作過程也很漫長。它始於 1962 年 10 月，當時我們都是倫斯勒理工學院的本科生。後來，我們成了數學專業的學生、室友和朋友。然後我們又在同一所大學（普林斯頓大學）攻讀研究生學位，都獲得了美國教育考試服務中心的心理測量學獎學金支持。在研究生院，我們接觸了普林斯頓大學著名的博學家約翰·圖基（JohnTukey）。當時，他是統計學領域的革新學者，其理念是數據分析的目的是洞察，而不僅僅是數字，這種洞察更多的是通過畫圖，而不是證明定理或推導方程，讓人們看到意想不到的事物。

事實證明，圖基的指導很重要，也很有先見之明，這是因為我們發現，我們研究的任何實質性主題，我們理解和交流收集到的證據的能力，幾乎總是涉及以某種圖形格式查看數據。我們的研究使我們兩個人，都為數據可視化方法的使用和發展的各個方面所吸引。這種興趣涵蓋了在科學探索、解釋、交流和推理方面的應用，以及創造闡明問題的新方法，以便更好地理解問題。

值得注意的是，對我們兩個人來說，對圖解法的研究使我們不斷回顧歷史，以獲得更深入和更透徹的理解。今天看來司空見慣的事情，很多都有著深刻的歷史根源。我們也花了很長時間研究、合作和寫作，這些都為本書提供了信息，並促成了本書的出版。最初的嘗試是1976年由魏納負責的美國國家科學基金會（National Science Foundation,簡稱 NSF）“圖形社會報告項目”（Graphic Social Reporting Project）。

該項目的任務之一是召集一組國際學者，這些學者致力於使用圖形來交流定量現象，並創建一個社交網絡來促進信息共享。項目因此召開了幾次會議，也出版了相當多的學術文章，例如，貝尼格和羅賓1978 年的圖形歷史，以及貝爾坦（Bertin）標志性的 1973 年版《圖形符號學》（Semiologie Graphique 的英譯本）。一旦以英文重新出版，貝爾坦的思想傳播得更廣，並且對很多其他學者的工作有用，其中最突出的是，愛德華·塔夫特（Edward Tufte）寫出具有變革意義的書籍。數據可視化作為一個研究領域，開始流行起來。

第二項關鍵事件是弗蘭德利（Friendly）的“裡程碑項目”（Mile-stones Project）。它已經從 20 世紀 90 年代中期開始大幅修訂，現在才在網站（http://www.datavis.ca/milestones/）上出現。在那個時候，有關現代數據可視化事件、思想和技術的以往歷史記錄很零散，分散在很多領域。“裡程碑項目”一開始只是試圖將這些不同的貢獻整理成一份匯總清單，按時間順序排列，其中包括代表性的圖片、原始來源的引用，以及指向進一步討論的鏈接。這是一個關於數據可視化歷史“一站式購物”的來源。現在，它包含了近 300 個重要裡程碑事件的交互式、可縮放時間表，近 400 張圖片和 350 個原始來源的參考，以及相關重要人物生卒年月、所在地等信息。

在數據庫中整理這段歷史的一個愉快但出乎意料的結果，是產生了這樣一種想法，即統計和圖解法可以用來探索、研究和描述數據可視化本身歷史中的歷史問題和疑問。這種方法可以稱為統計史學。“裡程碑項目”數據庫中的每個項目都按日期、位置和內容屬性（主題領域、發展形式）進行標記，因此，可以將該歷史記錄視為數據。

例如，圖 0.1 顯示了按歐洲大陸分類的 245 個裡程碑事件的頻率分布。我們立即會注意到，大多數早期的創新都發生在歐洲，而1900年以後的大部分創新都發生在北美。曲線的起伏反映了一些值得解釋的全球歷史趨勢，標記的時間段提供了我們認為是推動數據可視化進展的主要主題框架。

概述

“裡程碑項目”中記錄的最早事件，是一張有著 8000 年歷史的加泰羅尼亞小鎮地圖，靠近現在的土耳其城市科尼亞。可視化的史前史甚至可以追溯到更久遠的時期，但是，如圖 0.1 所示，大多數關鍵創新僅發生在過去400 年中，並在過去100 年間呈指數增長。

本書的核心問題是“數字的圖形描述是如何產生的”，更重要的是“為什麼”。是什麼促成了今天常見圖形和圖表的關鍵創新？是什麼樣的環境或科學問題，使可視化描述比單純的文字和數字更有用？最後，這些圖形發明在理解自然和社會現象，以及傳達這種理解方面有何不同？

縱觀“裡程碑項目”所描述的歷史，我們可以清楚地發現，這些關鍵創新大多與重大的科學和社會問題有關：水手如何在海上準確導航？我們如何才能理解犯罪或貧困的普遍程度與諸如識字率等因素之間可能的因果關係？我們鐵路和運河的客運和貨運情況如何，哪裡需要更多的運力？這些問題說明了我們對圖 0.1 的時間段給出的描述性標籤。

但是，數據可視化興起的故事要比那些令人頭疼的問題更加精彩。諸如此類的問題為數據可視化歷史的很多圖形發明，提供了背景和動機，但它們並沒有完全回答“為什麼”這個問題。過去 400年的主要創新與我們稱之為“視覺思維”的認知革命相結合，即一些問題及其解決方案可以直接視覺顯示，而不是靠文字或數字表格來傳達。使愛因斯坦更出名的，是用文字和方程式表達的物理理論，他在他的陳述中談到了這種視覺感受：“如果我不能描繪它，我就無法理解它。”

我們在本書講述的歷史，可以從科學史和圖像傳播史上一些關鍵問題的故事中得到例證，但它是作為對這段歷史中一些主角的欣賞而講述的，對他們來說，視覺洞察力至關重要。但這引出了一個更大的問題，即這種視覺思維本身是如何發展的。我們在最初的章節中為此提供了一些背景，但基本的想法是，這必然會伴隨著“經驗思維”的興起，這種觀點認為，通過收集相關數據比應用最好的抽象或理論思維，更能解決很多科學問題。

重新審視

我們在本書中描述的歷史圖表，是使用當時流行的數據、方法、技術和理解所創建的。我們可以通過嘗試從現代視角重新分析，來更好地理解知識、科學和圖形問題。

在這個過程中，我們可能會沮喪地發現，我們今天擁有的軟件工具很難精確重現重要歷史圖表及其故事的基本思想或藝術美感。在這段歷史中，我們主角們手工繪製的圖表、專題地圖和統計圖常常表明，簡單的筆比任何軟件工具都要強大。

即使我們盡心盡力，有時也只能產生對原作的蒼白模仿。換句話說，我們無法通過重新分析或重新繪製圖表，來促進對問題的理解。結果之一是，我們學會了欣賞前輩們深思熟慮、技藝精湛的作品，折服於他們對鋼筆畫或銅版雕刻的挑戰。另一個結果是，我們可以從現代的成功和失敗中，學會理解歷史問題的背景，以及為呈現這些問題而繪製的圖表。

我們把這些嘗試稱為“重新審視”，可能是從一個新的角度來看。我們不打算僅僅試圖通過“現在”這一特殊“眼鏡”來看過去。相反，我們希望闡明數據可視化發展中具有裡程碑意義的優點和缺點，或是能在歷史背景下更好地理解數據可視化。一個小例子說明了這一點：在第4 章中，我們展示了約翰·斯諾（John Snow）如何為霍亂作為一種起源於英國倫敦寬街（Broad Street）水井的介水傳染病，提出了更具說服力的生動論點。

年表與主題

這裡需要對本書的結構稍加解釋。在大多數非虛構類敘事中，按年表或主題敘述往往各有千秋，而年表通常是贏家。畢竟按時間順序的敘述十分自然地從一個時刻線性地移動到另一個時刻，而分散在不同時代的主題有時需要按更大的主題進行匯總。因此，年表通常占主導地位，至少從敘事被記錄在紙莎草卷軸上以來就一直如此。

在這本書中，年表占主導地位，但我們試圖合理運用它，我們擔心如果不這樣做，讀者會對主題茫然不知所措，仿佛下一個例子“在遙遠的某個外國海岸”。認識論、科學發現、社會改革、技術和視覺感知等偉大主題隨著時間而變化，但並不同步。因此，我們的大部分敘述都是圍繞特定時間的關鍵問題和個人（我們的圖形主角）進行的，他們的視覺洞察力和創新，促進了數據可視化和科學的進步。

以下是本書的概要。

第 1 章“剛開始的時候……”概述了較大問題和主題，為本書提供了背景。我們考慮了數字數據和論證證據與圖形之間的關係，然後描述了數字視覺呈現的一些史前歷史和可視化本身的早期興起。故事延續到 16 世紀前後哲學和科學中經驗思維的興起，以及與之相伴隨的用數字視覺呈現來傳達定量現象的顯著發展。

在此基礎上，我們探討了 17 世紀一個基本而又棘手的問題：海上經度的確定。在第 2 章“第一個圖表是正確的”中，我們介紹了邁克爾·弗洛倫特·範·朗格倫（Michael Florent van Langren）是如何想到製作從托萊多到羅馬的經度距離歷史測定圖。這張圖可以說是歷史上第一張統計數據圖表。

在第 3 章“數據的誕生”中，我們追溯了數據在 19 世紀初左右，圖解法最初興起時的作用。我們把注意力集中在這個故事的一個重要參與者身上：安德烈 - 米歇爾·蓋裡（André-Michel Guerry,1802—1866 年）。他用“大量數據”和圖解法促成了現代社會科學的發明。

不久之後，英國開始進行類似的廣泛數據收集，但這是在處理社會福利、貧困、公共衛生和衛生設施的背景下進行的。在第 4 章“人口統計”中，我們看到了兩位數據可視化的新主角，威廉·法爾（William Farr, 1807—1883 年）和約翰·斯諾，他們獨立工作，試圖了解幾次霍亂流行的原因，以及如何減緩這種疾病的流行。

第 5 章“大爆炸”詳細介紹了在 19 世紀初，幾乎所有現代形式的數據圖表（如餅圖、時間序列折線圖和條形圖）是如何被發明的。

這些關鍵的發展都要歸功於威廉·普萊費爾（William Playfair），一個“狡猾”的蘇格蘭人。他可以稱得上是現代圖解法之父，不過將他的貢獻視為數據圖形的大爆炸有點言過其實。

在統計圖形的所有現代形式中，散點圖可以被認為是整個統計圖形歷史中最通用且最有效的發明。由於它並非威廉·普萊費爾的發明，因此這一點也值得注意。第 6 章“散點圖的起源和發展”討論了為什麼普萊費爾無法思考這些事情，並將散點圖的發明追溯到著名天文學家約翰·弗裡德裡希·威廉·赫歇爾（John F. W. Herschel, 1792—1871年）。散點圖在弗朗西斯·高爾頓（Francis Galton, 1822—1911 年）關於性狀遺傳力的研究中發揮了重要作用。高爾頓的工作通過統計圖表可視化，成為相關和回歸統計思想的來源，因此也是大多數現代統計方法的來源。

在 19 世紀下半葉，對圖解法的熱情逐漸高漲，統計、數據收集和技術方面的各種發展結合在一起，產生了一場數據圖形的“完美風暴”。其結果是，在那個各技術水平完全比不上今天的時期，產生了在細致程度和廣度上無與倫比的作品，且在今天都很難被復制。在第7章中，我們認為，正如本章標題所暗示的那樣，這一時期值得被譽為“統計圖形的黃金時代”。

第 8 章“逃離平地（二維到三維）”討論了創建數據顯示的挑戰。視覺呈現必須在二維表面——紙或屏幕上產生。然而，在最壞的情況下，這些方式往往會產生誤導；在最好的情況下，這些方式呈現的內容不完整。在二維平面上表示多維現象，過去是，現在仍然是圖形顯示的最大挑戰。我們在本章中討論並說明在現有限制範圍內，用於交流多維現象的一些方法。

第 9 章“將時間和空間可視化”探討了數據可視化近代史上的兩個一般主題。首先，圖解法已經變得越來越具有動態性和交互性，能夠通過動畫顯示隨時間的變化，並且靜態圖像已擴展到觀眾可以直接操作、縮放或查詢的圖像。其次，人們繼續“逃離平地”，以各種新方法來理解更多維的數據。

圖形因能夠以緊湊的方式準確地呈現現象，同時提供其情境而受到贊譽。如果這就是它們所做的一切，那麼它們在科學史上的地位將十分明確並迅速隱去。而有了合適的數據和正確的設計，它們也能傳達情感。的確，在某些情況下，圖表會帶來一種情感上的影響，可以與詩歌相提並論。在第 10 章“如詩般的圖形”中，我們想象民權活動家威廉·愛德華·伯格哈特·杜波伊斯（W. E. B. DuBois）和被推崇的圖形設計師查爾斯·約瑟夫·米納德（Charles Joseph Minard,1781—1870 年）合作，描繪了 600 萬非裔美國人逃離後邦聯時代南方的種族主義和恐怖活動，前往北方工業區的大遷徙。這種想象中的合作提供了生動的例子，說明我們如何從歷史研究中獲益，以幫助解決未來的問題。

最後，“更多信息”一章為那些希望更深入了解某個主題的讀者列出了其他資源。

本書必然省略了一些豐富我們故事的材料，但也注重事實。此外，出版規定也限制了插圖的數量。作為部分補償，我們創建了一個相關網站（http://HistDataVis.datavis.ca），其中包含所有彩色圖像、一些更廣泛的討論，以及這段歷史中一些戲劇性人物的傳記筆記。令人高興的是，我們可以繼續通過相關主題的其他文章來保持這個主題的活躍。

因此，本書帶領各位讀者以更宏大的視角來考慮數據可視化的歷史——一段從最早的視覺銘文開始，發展到可以用圖形和圖表理解社會和科學問題的旅程——正如哈裡·杜魯門在開篇所言。在這一發展過程中，很多創新被遺忘或不被重視。下面，就讓我們一起去膜拜那些對視覺思維和圖像傳播發展必不可少的貢獻。